DE4203509A1

DE4203509A1 - Mehrgang-antriebsnabe fuer fahrraeder

Info

Publication number: DE4203509A1
Application number: DE4203509A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Nuernberger
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1993-08-12
Also published as: ATE117253T1; EP0554874A1; US5399128A; EP0554874B1; DE59300060D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrgang-Antriebsnabe mit mehr als 5 Gängen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit der DE-OS 34 40 068.0-12 ist eine Nabe bekannt geworden, die zur Erzeugung von 5 Gangstufen ein zweistufiges Planetenrad be sitzt. Eine solche Lösung erzeugt maximal 5 Gangstufen, die durch die Zweiteilung des Antriebsdrehmomentweges des Berggan ges, nämlich vom Antreiber zur Nabenhülse über das Hohlrad, das Planetengetriebe, den Planetenradträger und den mit diesem ge kuppelten Freilauf auf dem Bremskonus, erreicht wird, und zwar durch die wechselweise Fixierung der beiden Sonnenräder auf der Nabenachse. Diese Zweiteilung kommt im Antriebsdrehmomentweg des direkten Ganges nicht in Frage, da das Planetengetriebe nicht an der Kraftübertragung teilnimmt. Der Antriebsdrehmo mentweg des Schnellganges, nämlich vom Antreiber zur Nabenhülse über den Planetenradträger und das Hohlrad, wird, wie der erste zweigeteilt, wodurch insgesamt 5 Gänge entstehen. Diese Lösung ist hinsichtlich der Gangzahl nicht mehr aufstockbar, außerdem sind die Gangsprünge noch zu groß, was besonders beim Vergleich mit Kettenschaltungen deutlich wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Getriebenabe zu schaf fen, die bei ähnlicher Spreizung des Übersetzungsbereiches eine größere Anzahl von Gängen zuläßt und daher kleinere Gangsprünge erlaubt. Es sollen gegenüber der 5-Gang-Lösung keine Wirkungs gradnachteile entstehen. Schließlich sollen die Kosten der Her stellung, gemessen an der 5-Gang-Lösung, nicht überproportional steigen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 beschrieben.

Mit dem erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag wird eine Mehrgang- Antriebsnabe erzielt, bei der durch Dreiteilung der über das Planetengetriebe laufenden Antriebsdrehmomentwege des Berg- und Schnellganges relativ enge Gangstufen erlaubt. Das Getriebe der Nabe ist teilweise von seinem Aufbau her mit einem Ziehkeil-Ge triebe zu vergleichen, das durch abwechselndes Festlegen mehre rer Sonnenräder durch einen an sich bekannten Schubklotz mehre re verschiedene Übersetzungsstufen darstellen kann. Die außer halb des Getriebes mögliche Umschaltung der Antriebsdrehmoment wege ermöglicht es, daß mit unterschiedlich verlaufendem Kraft schluß das Ziehkeilgetriebe zweimal eingesetzt und durchge schaltet werden kann.

Das an sich bekannte Prinzip der Totgangvermeidung durch Si cherheits-Schrägflächen an den Schaltorganen, die bei unrichti ger Einstellung immer für Eingriff der Kupplungsorgane sorgen, ist hier an den Sonnenrädern verwirklicht, die axial federbela stet sind und ausweichen können, wenn der Schubklotz eine Zwischenstellung erreicht hat und mit den Schrägflächen zusam menwirken muß. Da bekanntlich beim Planetengetriebe die gering sten Drehmomente am Sonnenrad auftreten, ist es besonders vor teilhaft, dieses Schalt- und Sicherheitselement eben da anzu ordnen. Die Sicherheitsschrägflächen sind an den inneren Kupp lungszähnen zweier Sonnenräder angeformt, so daß sie mit den Schubklotzenden zusammenwirken können.

Was die Herstellungskosten der vorgeschlagenen Nabe mit drei stufigem Planetenrad betrifft, ändern sich diese gemessen an der Gangzahl unterproportional zu einer Nabe mit einem zweistu figem Planetenrad, da die Mehrkosten nur den Getriebeteil be treffen und technologisch mit Ausnahme der Sonnenradherstellung und der Planetenradträgerlagerung kein Neuland zu beschreiten ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü chen beschrieben.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Teilansicht einer 7-Gang-Rücktritt- Bremsnabe für Fahrräder;

Fig. 2 eine geschnittene Teilansicht der Sonnenräder in einer Schalt-Zwischenstellung;

Fig. 3 das kleine Sonnenrad in der Draufsicht;

Fig. 4 das kleine Sonnenrad im Schnitt;

Fig. 5 das mittlere Sonnenrad mit Schrägflächen in der Drauf sicht;

Fig. 6 das mittlere Sonnenrad im Schnitt;

Fig. 7 das große Sonnenrad mit Schrägflächen in der Drauf sicht;

Fig. 8 das große Sonnenrad im Schnitt;

Fig. 9 das Schema der Schaltfolge in Darstellung der Schub klotzstellungen;

Fig. 10 eine Prinzipskizze des gem. Fig. 1 dargestellten per manenten Zahneingriffs zwischen der kleinsten Zahnrad stufe des Planetenrades und dem Hohlrad;

Fig. 11 eine Prinzipskizze des permanenten Zahneingriffs zwischen der mittleren Zahnradstufe des Planetenrades und dem Hohlrad;

Fig. 12 eine Prinzipskizze des permanenten Zahneingriffs zwischen der größten Zahnradstufe des Planetenrades und dem Hohlrad.

Fig. 1 zeigt eine 7-Gang-Antriebsnabe mit Rücktrittbremsein richtung für ein Fahrrad mit einer Nabenachse 1, an der über ein Kugellager 35 ein Antreiber 7 drehbar gelagert ist, der durch ein oder mehrere drehfest darauf angebrachte Kettenräder über eine Kette mit einem oder mehreren Kettenblättern am Tret lager verbunden ist. Über ein weiteres Kugellager 37 stützt sich der Antreiber 7 an der Nabenhülse 9 ab, deren anderes Ende auf der Nabenachse 1 in nicht näher zu bezeichnender Weise ge lagert ist. Innerhalb dieser rohrförmig ausgebildeten Nabenhül se 9 ist neben einer durch Rücktritt betätigbaren Bremse 19 ein Planetengetriebe 21 angeordnet, das aus einem Hohlrad 11, einem Planetenradträger 17 und einem oder mehreren Planetenrädern 23 besteht. Die dreistufigen Planetenräder 23 haben mit den Zahn radstufen 23/1, 23/2 und 23/3 verschiedene Zähnezahlen und stehen mit je einem Sonnenrad 25/1, 25/2 und 25/3 in ständigem Zahneingriff. Mit dem Hohlrad 11 steht jedoch nur die kleinste Zahnradstufe 23/3 In ständigem Zahneingriff. Das Hohlrad 11 ist in der Antriebsdrehrichtung mittels eines Freilaufs, dem Klinkengesperre 13, mit der Nabenhülse verbunden.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann das Hohlrad 11 als im Durchmesser größer bemessenes Hohlrad 11/1 mit der mittleren Zahnradstufe 23/2 des dreistufigen Planetenrades 2 gem. Fig. 11 in ständigen Zahneingriff gebracht werden, nämlich dann, wenn Wert auf größere Spreizung der gesamten Übersetzungskapazität gelegt wird. Reicht die hierdurch erzielte Kapazität für be stimmte Fahrzeugtypen nicht aus, so bewirkt gemäß Fig. 12 ein Hohlrad 11/2 mit noch größerem Durchmesser im Eingriff mit der Zahnradstufe 23/3 eine noch größere Spreizung der Getriebekapa zität. So liegt beispielsweise die Hohlrad-Planetenrad-Kombina tion gemäß Fig. 10 bei ca. 240%. Wird das Hohlrad 11/1 mit der mittleren Zahnradstufe 23/2 kombiniert, so ergibt sich eine Kapazität von rund 285%. Wird der Permanenteingriff zwischen Hohlrad 11/2 und der großen Zahnradstufe 23/3 hergestellt, so werden annähernd 360% Kapazität erreicht.

Die Schaltung der Antriebsdrehmomentwege erfolgt über das Kupp lungsrad 15, welches von außen über den Schubklotz 5 axial ver schiebbar ist und den Antreiber 7 in bekannter Weise einmal mit dem Planetenradträger 17 und einmal mit dem Hohlrad 11 drehfest koppelt.

Der Antriebsdrehmomentweg des Schnellganges in der gemäß Fig. 1 gezeigten Stellung bezeichnet den Schnellgang des von dem Kupp lungsrad schaltbaren Dreigang-Getriebeteils, wobei ein starr mit dem Kupplungsrad 15 verbundener Zahnstern 39 mit dem Plane tenradträger 17 über Zähne gekuppelt ist. Der Kraftschluß ver läuft vom Antreiber 7 über das Kupplungsrad 15 und dessen Zahn stern 39, den Planetenradträger 17, die Zahnradstufe 23/3, das Hohlrad 11 mit seinem Klinkengesperre 13 zur Nabenhülse 9.

Schiebt man den Schubklotz 5 nach rechts bis zur Anlage des Zahnsterns 39 an den Boden des Hohlrades 11, so hat sich die Verzahnung 41 des Kupplungsrades 15 bereits in die Verzahnung 43 des Hohlrades 11 eingeschoben und der Kraftfluß läuft über den Antriebsdrehmomentweg des direkten Ganges, nämlich über den Antreiber 7, das Kupplungsrad 15, das Hohlrad 11 und über das Klinkengesperre 13 direkt an die Nabenhülse 9.

Der Antriebsdrehmomentweg des Bergganges wird durch Weiter schieben des Schubklotzes 5 in die rechte Extremlage erzeugt, wobei das Hohlrad 11 vom Zahnstern 39 mitgenommen wird.

Das noch im Eingriff befindliche Klinkengesperre 13 schiebt sich ebenfalls weiter nach rechts, wodurch eine Abweisschräge 45 in der Nabenhülse 9 dessen Klinken außer Eingriff bringt. Der Kraftfluß verläuft nun vom Antreiber 7 über das Kupplungs rad 15, das Hohlrad 11, die Planetenräder 23, den Planetenrad träger 17 und ein mit diesem gekoppeltes und auf einem Brems konus 49 angeordnetes Klinkengesperre 47 zur Nabenhülse 9.

Der erfindungsgemäße Vorschlag macht sich nun die Möglichkeit zu nutze, mehrere Zahnradstufen 23/1, 23/2 und 23/3 auf den Planetenrädern 23 anzubringen, wobei es theoretisch auch mehr als die hier dargestellten drei sein können. Da die große Zahn radstufe 23/1 mit dem kleinen Sonnenrad 25/1, die mittlere Zahnradstufe 23/2 mit dem mittleren Sonnenrad 25/2 und die kleine Zahnradstufe 23/3 mit dem großen Sonnenrad 25/3 in ständigem Zahneingriff stehen und im Betrieb ständig umlaufen, werden durch Festlegen immer eines dieser drei Sonnenräder auf der Nabenachse 1 in dem Antriebsdrehmomentweg des Bergganges bei Festlegen des großen Sonnenrades 25/3 die größte Überset zung, bei Festlegen des mittleren Sonnenrades 25/2 eine kleine re Übersetzung und bei Festlegen des kleinen Sonnenrades 25/1 eine kleine Übersetzung erreicht.

Im Antriebsdrehmomentweg des Schnellganges wird bei Festlegen des großen Sonnenrades 25/3 die größte Übersetzung, mit Fest legen des Sonnenrades 25/2 eine mittlere Übersetzung und mit Festlegen des kleinen Sonnenrades 25/3 eine noch kleinere Schnellgangübersetzung erreicht.

Nur im Antriebsdrehmomentweg des direkten Ganges wird keine Dreiteilung der Übersetzung erreicht, da hier die Nabenhülse 9, wie schon beschrieben, direkt angetrieben und das Planetenge triebe unwirksam wird. Das auf dem Bremskonus 49 liegende Klinkengesperre 47 wird dann von der schneller laufenden Naben hülse 9 überholt.

Die Gangfolge der 7 Gänge ergibt sich also wie folgt: Der 7. Gang wird gebildet, wenn beim Antriebsdrehmomentweg des Schnellganges der Schubklotz 5 in die gemäß Fig. 1 gezeigte Lage gebracht und das große Sonnenrad 25/3 durch Schubklotz 3 festgelegt wird.

Der 6. Gang wird unter Beibehaltung des Antriebsdrehmomentweges des Schnellganges mit Schubklotz 5 durch Verschieben des Schub klotzes 3 nach links und somit durch Festlegen des Sonnenrades 25/2 erzeugt. Wird der Schubklotz 3 in die linke Extremlage weitergezogen, so wird das Sonnenrad 25/1 festgelegt und es entsteht der 5. Gang.

Der 4. Gang wird als direkter Gang durch Änderung des Antriebs drehmomentweges von der Schnellgangposition in die Direktgang position erreicht, indem der Schubklotz von der gezeichneten linken Extremstellung in die mittlere Lage nach rechts gezogen wird. Wie schon beschrieben, ist es unerheblich, welche Posi tion der Schubklotz 3 in diesem Gang hat, da das Getriebe nicht in Aktion ist. Man läßt aber den Schubklotz 3 in der Stellung des 5. Ganges stehen, da er damit bereits - wie aus Fig. 9 er sichtlich - die Position des 3. Ganges besitzt, wenn der An triebsdrehmomentweg des Direktganges in den Antriebsdrehmoment weg des Bergganges durch Verschieben des Schubklotzes 5 in die rechte Extremposition verschoben wird. Der 2. und 1. Gang werden durch stufenweises Zurückschieben des Schubklotzes 3 ge schaltet, wodurch wieder die drei Sonnenräder 25/1, 25/2 und 25/3 nacheinander festgelegt werden.

Wie leicht zu erkennen ist, wird immer nur ein Schubklotz für den Gangwechsel um jeweils nur eine Stufe verschoben, was den Vorteil in sich birgt, einen Kombinationsschalter für die Be dienung dieser Nabe zu gestalten, der - beispielsweise kurven gesteuert - für nur geringe Schaltkräfte ausgelegt sein muß. Zudem sind die Wege optimal kurz und überschneiden sich nicht.

Nach bekannten Vorbildern sind es Abweisschrägen, die zwischen den Gangstufen angebracht sind, um Leerlaufstellungen zwischen den einzelnen Gangstufen zu verhindern. Diese Totgangstellungen sind für den Fahrradfahrer gefährlich, da er durchtreten kann, wenn falsch eingestellt oder gerade geschaltet wird. Die Ab weisschräge 27/2 wird wirksam, wenn der Schubklotz 3 zwischen die inneren Kupplungszähne der Sonnenräder 25/2 und 25/3 gerät, aus welcher Richtung auch immer kommend. Durch den Antrieb des Sonnenrades 25/3 entsteht eine koaxiale Kraft auf den Schub klotz 3, der nach links abgewiesen und in das im Fahrbetrieb langsam leer in Gegendrehung befindliche Sonnenrad 25/2 gescho ben wird, sofern sich gerade eine Zahnlücke dort befindet. Ist dies nicht der Fall, so schiebt der Schubklotz 3 das Sonnenrad 25/2 - und mit diesem das Sonnenrad 25/1 als Paket gegen die Kraft der Feder 31 nach links, wo sie solange vorgespannt ver bleiben, bis die Zahnlücke herangekommen ist und die beiden Zahnräder von der Feder 31 in ihre Wirkposition zurückfahren läßt. In gleicher Weise arbeitet die Abweisschräge 27/1, die nur das Sonnenrad 25/1 ausweichen läßt.

Die durch Rücktritt betätigbare Bremse 19 wird durch die Ver schiebung eines Bremskonus′ 49 in Richtung Bremse aktiviert, der mit dem Planetenradträger 17 über ein Gewinde 51 verbunden ist. Dreht sich also der Planetenradträger 17 gegen die An triebsdrehrichtung, so schiebt sich der durch eine Friktions feder 53 in seiner Position festgehaltene Bremskonus 49 nach links und betätigt die Bremse 19. Im Antriebsdrehmomentweg des Schnellganges ist, wie in Fig. 1 gezeichnet, der Antreiber 7 mit dem Planetenradträger 17 über das Kupplungsrad 15 und dessen Zahnstern 39 direkt verbunden. Das bedeutet, in den Gängen 7, 6 und 5 wird das Bremsmoment 1 : 1 übertragen. In den übrigen Gängen ist im Antriebsdrehmomentweg des direkten Ganges und im Antriebsdrehmomentweg des Bergganges der Antreiber 7 mit dem Planetenradträger 17 über das Kupplungsrad 15, das Hohlrad 11 und das jeweils festgelegte Sonnenrad 25/1 oder 25/2 oder 25/3 übersetzt verbunden, wodurch eine etwas erhöhte Bremswir kung erreicht wird.

Schließlich ist es von Vorteil, den Planetenradträger 17 auf der Nabenachse 1 doppelt zu lagern, was mit dem Lagerring 33 erreicht wird. Dieser zentriert das Planetengetriebe 21 und fixiert auf einfache Weise das Sonnenrad 25/3 axial und bildet so den Anschlag für das Paket der drei Sonnenräder 25/1, 25/2 und 25/3 gegen die Kraft der Feder 31.

Claims

1. Mehrgang-Antriebsnabe für Fahrräder mit einer Gangumschal tung für 7 oder mehr Gänge, umfassend

- eine drehfeste Nabenachse (1) mit einer Zentral bohrung zur Betätigung der Schubklötze als Steuerung des Nabengetriebes
- einen auf der Nabenachse drehbar gelagerten An treiber (7)
- eine auf der Nabenachse und dem Antreiber drehbar gelagerten und das Nabengetriebe umfassende Naben hülse (9)
- ein Hohlrad (11) mit Klinkengesperre (13)
- einen axial festgelegten und drehbaren Planetenrad träger (17)
- ein Kupplungsrad (15), das mit dem Antreiber in ständigem Zahneingriff steht und diesen einmal mit dem Planetenradträger und einmal mit dem Hohlrad kuppeln kann
-eine durch Rücktritt betätigbare Bremse (19)

dadurch gekennzeichnet, daß im Planetengetriebe (21) minde stens ein Planetenrad (23) angeordnet ist, das nicht weni ger als 3 Zahnradstufen (23/1, 23/2, 23/3) von jeweils unterschiedlichen Durchmessern besitzt, wobei diese Zahn radstufen (23/1, 23/2, 23/3) gegeneinander nicht verdreh bar angeordnet sind.

2. Mehrgang-Antriebsnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die erste Zahnradstufe (23/1) mit einem auf der Nabenachse (1) drehbar angeordneten Sonnenrad (25/1), daß die zweite Zahnradstufe (23/2) mit einem auf der Nabenach se (1) drehbar angeordneten Sonnenrad (25/2) und daß die dritte Zahnradstufe (23/3) mit einem auf der Nabenachse (1) drehbar angeordneten Sonnenrad (25/3) in ständigem Zahneingriff steht.

3. Mehrgang-Antriebsnabe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrad (23) über seine Zahn radstufe (23/3) in ständigem Zahneingriff mit dem Hohlrad (11) steht.

4. Mehrgang-Antriebsnabe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrad (23) über seine mittle re Zahnradstufe (23/2) in ständigem Zahneingriff mit einem Hohlrad (11/1) steht.

5. Mehrgang-Antriebsnabe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenrad (23) über seine große Zahnradstufe (23/1) in ständigem Zahneingriff mit einem Hohlrad (11/2) steht.

6. Mehrgang-Antriebsnabe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenräder (25/1, 25/2 und 25/3) einzeln und nacheinander mit dem Schubklotz (3) auf der Nabenachse (1) festlegbar sind.

7. Mehrgang-Antriebsnabe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenräder (25/1, 25/2, 25/3) am Innendurchmesser Kupplungsflächen (29/1, 29/2, 29/3) auf weisen, die eine gerade Anzahl besitzen und welche mit den beiden Enden des Schubklotzes (3) zusammenwirken.

8. Mehrgang-Antriebsnabe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (31) das Sonnenrad (25/1) vorübergehend bremsseitig ausweichen läßt, wenn der Schub klotz (3) durch die Abweisschräge (27/1) zwischen Sonnenrad (25/1) und Sonnenrad (25/2) gerät und daß die Feder (31) die Sonnenräder (25/1 und 25/2) bremsseitig ausweichen läßt, wenn der Schubklotz (3) durch die Abweisschräge (27/2) zwischen Sonnenrad (25/2) und Sonnenrad (25/3) gerät.

9. Mehrgang-Antriebsnabe mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Planetenradträger (17) zu sätzlich zu dessen bremsseitiger konventioneller Lagerung auf der Nabenachse (1) eine zweite antriebsseitige Lager stelle angeordnet ist, die aus einem Lagerring (33) be steht.

10. Mehrgang-Antriebsnabe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Lagerring (33) den Planetenradträger (17) auf der Nabenachse (1) zusätzlich lagert und das Sonnenrad (25/3) mit dem Bund (33/1) axial festlegt.